Regenerative Drive Dijelaskan: Prinsip Utama dan Pertimbangan Regulasi – Bagian 2

Menjelang artikel kami sebelumnya yang memberikan gambaran singkat tentang operasi regenerative drive, di sini kita melihat beberapa faktor khusus yang perlu dipertimbangkan dengan operasi regeneratif.

Efek pada jaringan daya (jaringan listrik AC)

Regulasi

Ini adalah regulasi yang diputuskan oleh perusahaan listrik untuk memastikan bahwa generasi terbenam tidak mengganggu keamanan atau keandalan pasokan listrik. Bagian sisa dari bagian ini meliputi topik paling penting yang dikontrol oleh regulasi. Jika sistem regen akan digunakan sebagai generator sengaja maka harus mematuhi regulasi yang berlaku di tempat penggunaan. Jika tidak, topik yang dicakupi masih harus dipertimbangkan setiap kali rating arus sistem regen adalah bagian yang signifikan dari rating sistem daya lokal, untuk memastikan bahwa dalam hal fault atau gangguan tidak akan terjadi kerusakan pada peralatan lain yang terhubung.

Arus Short Circuit

Generator lokal berkontribusi pada arus ke fault listrik (short circuit), dan mungkin mempengaruhi keamanan atau rating yang diperlukan dari switchgear listrik. Dalam setiap instalasi generator yang diusulkan arus fault tambahan harus dihitung. Namun Regen inverter memiliki dampak yang dapat diabaikan, karena perlindungan over-current elektronik memutus arus berlebihan jauh lebih cepat dari pada circuit breaker atau sekring dapat bertindak. Arus short circuit puncak untuk generasi CT inverter saat ini adalah 260% dari arus rated, dan setelah inverter trip arus jatuh ke nol dalam kurang dari 4 ms (tergantung pada nilai a.c. choke). Arus puncak untuk rating proteksi diambil setidaknya selama setengah siklus frekensi pasokan. Faktor-faktor ini bersama-sama membuat kontribusi arus fault dapat diabaikan.

Operasi island

Jika jaringan listrik terputus dari instalasi di mana generator sedang beroperasi maka ada kemungkinan bahwa daya “island” mungkin terjadi di mana generasi lokal tidak sengaja mempertahankan beban lokal yang dienergikan. Ini tidak mungkin terjadi, karena tanpa governor yang dirancang khusus untuk mengatur frekuensi tidak ada yang memastikan pasokan dan permintaan seimbang. Biasanya frekuensi dengan cepat bergerak keluar dari rentang kerja dan sistem trip. Juga, tidak ada kontrol tegangan atau daya reaktif. Namun jika island terjadi maka akan ada risiko keselamatan bagi pekerja daya, dan risiko kerusakan pada peralatan lokal di island jika tegangan atau frekuensi bergerak di luar rentang aman.

Jika sistem Regen memiliki sumber energi (misalnya mesin, baterai atau penyimpan energi lain) sehingga operasi island mungkin, maka perlindungan harus disediakan terhadap island yang merusak yang terjadi. Rentang frekuensi drive regen harus dibatasi dalam pengaturan parameter ke rentang aman, dan overvoltage relay harus disertakan untuk trip inverter jika tegangan menjadi berlebihan.

Untuk generator sengaja ada standar untuk perlindungan islanding (kadang disebut sebagai perlindungan “Loss of Mains” (LOM). Beberapa di antaranya memerlukan inverter untuk menjalankan algoritma khusus untuk mendeteksi kondisi island, yang tersedia sebagai fasilitas standar dalam drive Unidrive M. Beberapa memerlukan perlindungan relay independen yang disetujui.

Intentional Island, backup generation

Perhatikan bahwa regen inverter tidak dapat digunakan sebagai generator mandiri, misalnya sebagai pasokan cadangan dalam hal kehilangan pasokan jaringan. Ini hanya dapat digunakan bersama dengan pasokan yang ada yang padahal sinkronkan dirinya sendiri.

Ridethrough

Generator sengaja mungkin diwajibkan untuk terus beroperasi selama gangguan jaringan listrik. Situasi yang paling umum adalah di mana fault (short circuit) terjadi di mana saja di jaringan daya yang menghasilkan penurunan tegangan tiba-tiba di terminal generator. Ini mungkin seimbang atau tidak seimbang antara ketiga fasa. Selama ridethrough, mungkin tidak mungkin untuk terus menghasilkan daya rated jika tegangan terlalu rendah, tetapi arus reaktif diperlukan untuk mendukung tegangan dan membantu jaringan dalam memulihkan kontrol setelah sirkuit yang bermasalah telah dicabut oleh perangkat proteksi otomatis.

AFE sederhana cukup sensitif terhadap gangguan tegangan karena operasinya bergantung pada keseimbangan yang akurat antara bentuk gelombang tegangan jaringan dan yang dihasilkan di dalam inverter. Kecuali memiliki kemampuan ridethrough lebih cenderung menyebabkan trip gangguan daripada rectifier sederhana. Unidrive M memiliki kemampuan ridethrough yang dapat dipilih yang memenuhi persyaratan standar nasional besar seperti pedoman BDEW untuk generator yang terhubung ke jaringan MV.

Penting untuk menghargai bahwa dalam operasi regeneratif normal Regen inverter menyesuaikan output dayanya ke sistem daya AC untuk mengatur tegangan DC bus ke nilai yang diinginkan. Selama gangguan tegangan tidak lagi dapat menghasilkan daya rated penuhnya, jadi mungkin tidak dapat terus mengatur tegangan DC. Sumber daya kemudian harus mengambil peran ini. Jika tidak melakukan ini maka mungkin terjadi over-voltage trip jika daya masuk melebihi keluar. Sebaliknya braking resistor dapat dihubungkan untuk menyerap daya berlebihan.

Regulasi Daya dan Frekuensi

Keseimbangan pasokan dan permintaan di jaringan listrik AC dicapai dengan mengatur frekuensi. Generator sengaja mungkin diwajibkan untuk membantu dalam hal ini dengan merespons perintah daya eksternal, atau untuk menerapkan fungsi kontrol daya terhadap frekuensi. Ini dapat diprogram sebagai aplikasi dalam drive.

Harmonik dan interharmonik

Seperti yang dibahas dalam blog regen pertama, Regen inverter menghasilkan tingkat arus harmonik yang dapat diabaikan, yaitu pada kelipatan bulat dari frekensi pasokan AC. Ia berinteraksi dengan harmonik yang ada pada pasokan, dan juga menghasilkan produk modulasi PWM. Ini ada pada frekuensi tinggi yang selama bertahun-tahun dianggap di luar rentang harmonik, yang umumnya dianggap berakhir pada urutan 40. Namun standar teknis dan instrumen yang lebih baru mulai mempertimbangkan harmonik hingga urutan 100.

Misalnya, ambil sistem yang beroperasi pada frekensi garis nominal 60 Hz dan frekensi switching 3 kHz. Frekuensi utama yang terkait dengan switching yang ada akan menjadi 2880 Hz dan 3120 Hz. Ini adalah 48 dan 52 kali frekensi pasokan. Namun kedua frekuensi ini bukan kuantitas yang sebanding, atau dengan kata lain tidak terkait fase. Jika frekensi garis adalah 60.1 Hz maka frekuensi produk setara akan menjadi 2879.8 Hz dan 3120.2 Hz. Saat instrumen analisis harmonik dihubungkan dalam sistem seperti ini kemungkinan akan menunjukkan ini sebagai harmonik ke-48 dan ke-52, jika memiliki bandwidth standar 5 Hz, atau mungkin menunjukkan ketidakmampuan untuk mensinkronkan data.

Jika frekensi switching adalah 4 kHz maka frekuensi utama yang ada akan menjadi 3880 Hz dan 4120 Hz yang bukan frekuensi harmonik. Mereka akan ditunjukkan sebagai “interharmonics” oleh analyzer dengan fasilitas interharmonik, atau mungkin diabaikan oleh analyzer harmonik dasar dengan bandwidth normal 5 Hz.

Harmonik dan interharmonik yang dibahas di atas semuanya adalah set 3-fasa dengan urutan fase positif atau negatif. Ini berarti tidak seperti tegangan “noise” common-mode frekuensi tinggi mereka melewati transformator dan dapat menyebabkan interferensi di luar transformator pasokan situs. Filter frekensi switching diperlukan untuk mengurangi magnitudo mereka ke nilai yang dapat diterima.

Interaksi dengan sumber/sink DC – kontrol tegangan

Saat sistem regen terhubung ke sumber atau beban DC, pertimbangan harus diberikan untuk kontrol tegangan DC. Dalam sistem drive yang meregenerasi, drive mesin menjadi secara efektif sumber daya konstan, dan Regen inverter menyesuaikan export dayanya untuk menyeimbangkan daya masuk pada tegangan DC yang diinginkan. Sistem lain mungkin memiliki karakteristik yang cukup berbeda. Misalnya, dalam PV inverter tegangan dan arus DC dikontrol oleh kurva tegangan/arus array PV untuk insolasi dan suhu yang diberikan. Inverter tidak secara alami “mengetahui” tegangan mana yang harus dipilih, jadi referensi tegangan DC Regen inverter harus disesuaikan oleh algoritma MPPT untuk menemukan titik daya optimum.

Tegangan common-mode pasokan DC

Pasokan DC dalam sistem regen memiliki common-mode voltage yang tidak biasa, yaitu tegangan rata-rata antara tiangnya dan ground. Analisis bentuk gelombang tegangan penuh cukup kompleks, tetapi merujuk pada skematis yang disederhanakan dalam Gambar 1 dari blog pertama, Anda dapat menyimpulkan bahwa ketika salah satu pasangan transistor input inverter mengubah statusnya, kecenderungan adalah tegangan dari sirkuit DC bus berubah dengan langkah sama dengan V_DC, terhadap ground. Faktanya langkah tersebut dibatasi oleh pembagian tegangan di sekitar input choke ke 1/3 V_DC. Langkah ini terjadi setiap kali fasa beralih, yaitu enam kali dalam setiap siklus switching PWM.

Ini berarti ketika pasokan AC adalah pasokan jaringan LV konvensional dengan neutral yang terhubung ke ground, DC bus membawa common-mode voltage yang tinggi yang merupakan pola PWM kompleks dengan tepi yang naik cepat, yang berisi spektrum luas dari frekuensi. Beberapa efek dari ini tercantum dalam daftar berikut:

1. Tidak ada drive yang terhubung ke DC bus, maupun Regen inverter itu sendiri, harus memiliki kapasitor filter EMC internal yang terpasang, karena kapasitor ini dapat teroverload oleh common-mode voltage, dan akan menyebabkan arus ground beredar yang tinggi yang mengakibatkan gangguan inverter.
2. Tidak ada filter RFI yang boleh dihubungkan ke DC bus, dengan alasan yang sama seperti pada 1.
3. DC bus “berisik”, jadi jika didistribusikan melalui konduktor yang tidak di-screen mungkin akan mengganggu sirkuit sinyal di dekatnya. Jika daya DC akan didistribusikan dalam jarak yang signifikan harus dalam kabel screened. Namun jika kabel panjang maka arus ground frekensi tinggi dalam stray capacitance mereka akan menyebabkan kehilangan daya tambahan dalam Regen chokes.
4. Tidak ada peralatan lain yang dapat dihubungkan ke DC bus kecuali jika telah dikonfirmasi bahwa dapat mentoleransi common mode voltage. (Misalnya, peralatan yang dirancang untuk bekerja dari pasokan DC kemungkinan memiliki RFI filter sendiri, yang tidak dapat mentoleransi common-mode voltage. Sebagian besar transducer arus dan tegangan dirancang untuk mentoleransi common-mode voltage.)

Untuk aplikasi khusus di mana efek ini tidak dapat diterima, satu solusi adalah menggunakan transformer isolasi pada input sehingga pasokan AC diisolasi dari ground. Kemudian mungkin untuk beroperasi dengan satu tiang DC bus yang terhubung ke ground secara langsung, jadi tidak ada common-mode voltage. Atau dapat dihubungkan melalui kapasitor ke ground atau RFI filter sesuai kebutuhan, untuk mengurangi noise common-mode frekensi tinggi yang paling mungkin akan menyebabkan interferensi. Ini digunakan misalnya dalam inverter fotovoltaik, dan dalam sistem di mana daya DC harus didistribusikan ke beberapa beban.

Filter, Impedansi Pasokan, Kontrol Arus

Filter frekensi switching telah dibahas di atas dalam hubungan dengan menghindari interferensi pada peralatan lain yang terhubung ke sirkuit pasokan yang sama. Filter juga harus dipertimbangkan dalam hal efeknya pada sistem kontrol inverter.

Dalam inverter 3 kHz frekensi turnover filter sekitar 800 Hz, sehingga memberikan attenuasi yang berguna pada 2900 Hz. Turnover sedikit dipengaruhi oleh impedansi pasokan, yang adalah unknown untuk frekuensi tidak biasa ini. Ini berarti gain loop arus di inverter tidak boleh ditetapkan terlalu tinggi karena stabilitas sekitar 800 Hz menjadi marginal dan sistem menjadi sensitif terhadap gangguan dan rentan terhadap gangguan. Untuk sebagian besar aplikasi drive konvensional, yaitu di mana sistem regen adalah salah satu dari banyak beban dalam jaringan distribusi LV industri, ada damping alami yang cukup sehingga tidak ada persyaratan khusus yang timbul. Nilai default biasanya efektif.

Di mana satu atau lebih sistem regen di-feed dari pasokan khusus, dengan sedikit yang lain yang terhubung, mungkin terjadi loop arus underdamped. Ini dapat diidentifikasi dengan mudah menggunakan osiloskop untuk melihat bentuk gelombang arus garis, karena ledakan osilasi (“ringing”) terjadi dengan periode sekitar 800 Hz, sering pada 6 titik dalam setiap siklus jaringan. Dalam situasi ini stabilitas dapat dipulihkan dengan mengurangi P term dalam loop kontrol arus. Mungkin juga perlu mengurangi gain loop tegangan untuk menghindari kontrol tegangan underdamped yang disebabkan oleh loop arus yang lebih lambat. Jika aplikasi sangat dinamis sehingga gain yang lebih rendah ini tidak dapat diterima, maka metode alternatif untuk meningkatkan damping diperlukan. Ada dua opsi:

1. Tambahkan kapasitor filter lebih lanjut. Ini membawa frekensi turnover filter ke nilai di mana loop kontrol arus memiliki phase lag yang lebih kecil dan dapat memberikan damping aktif.
2. Gunakan filter yang damped. Ini menggunakan beberapa kapasitor tambahan dan resistor kecil untuk memberikan damping. Informasi lebih lanjut tersedia dari CT Technical Support.

Kedua opsi telah digunakan secara efektif. Kelemahan opsi 1 adalah beberapa kapasitor mungkin diperlukan, menempati ruang dan juga menyebabkan arus reaktif standing yang tinggi yang mungkin harus di-offset oleh fungsi kontrol arus reaktif inverter. Kelemahan opsi 2 adalah resistor menyebabkan kehilangan daya standing, dan juga harus dilindungi dari overload dalam hal harmonik abnormal dalam pasokan, menjadikan opsi ini cukup kompleks.